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二氧化钛表面杂多酸和氟离子修饰对吸附和光催化降解有机物的影响

吕康乐  
【摘要】: 二氧化钛表面杂多酸和氟离子修饰对吸附和光催化降解有机物的影响 众多研究表明,半导体TiO_2光催化能使许多有机物发生降解或彻底分解。因此,该技术在环境污染控制领域将具有巨大的经济和社会效益。但是,TiO_2光催化本身的量子效率较低,难以满足大规模实际应用的要求。本论文从TiO_2的表面修饰入手,较为系统地考察了杂多酸和氟离子表面修饰对吸附和光催化降解有机污染物的影响,以期提高光催化表面反应的效率。论文共分三个部分:吸附对有机物光催化降解速率表达方式的影响;杂多酸和氟离子的表面修饰对TiO_2吸附和光催化阴离子染料X3B的影响;氟离子对不同晶型TiO_2光催化降解苯酚的影响。 通常,液相中有机物浓度随光照时间的变化速率用来评价光催化剂的相对活性。如果该催化剂对有机物吸附较强,则必须考虑吸附量在光照前后可能发生的变化。为此,论文第二章首先以吸附较强的阴离子染料X3B为目标分子,研究了吸附对光催化降解速率测定的影响。研究发现,以液相和固相浓度变化总和表达的实际降解速率远远大于仅以液相浓度变化表达的表观降解速率,并表现出不同的反应动力学特征。此外,还观察到实际降解速率与吸附量在一定范围内存在线性正比关系的现象,证明X3B的光催化降解是通过光生空穴(h~+)直接进行的。 论文第三章以实际降解速率为基础,研究了杂多酸和氟离子表面修饰对TiO_2光催化降解X3B的影响。据文献报道,TiO_2表面杂多酸或氟离子修饰能加快苯酚等弱吸附有机物的光催化降解。本论文研究发现,加入杂多酸或氟离子均抑制了X3B的暗吸附,但TiO_2光催化降解X3B的速率却分别发生了下降和升高。进一步研究表明,杂多酸主要通过表面静电吸附,而氟离子则主要通过表面氢氧基团取代吸附,这使主要活性物种分别从h~+变化为吸附态(·OH_(ads))和游离态氢氧自由基(·OH_(free))。并且提出这些活性物种的相对反应活性为:·OH_(free)>h~+>·OH_(ads)。 论文最后(第四章)探讨了TiO_2表面氟离子修饰的最佳参数。采用水热合成法制备出不同晶型和活化温度处理的TiO_2。结果发现,加入氟离子使锐钛矿型和金红石型TiO_2光催化降解苯酚的速率分别发生升高和下降,并且这种效应与催化剂活化温度紧密相关。但是,氟离子的作用机制还不太清楚,有待于进一步研究。


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